動(dòng)車(chē)組風(fēng)阻對(duì)制動(dòng)盤(pán)設(shè)計(jì)影響研究

金文偉 王常川 馮 昆 楊 川

(1.中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 概述

降低軌道交通車(chē)輛特別是時(shí)速350 km以上等級(jí)動(dòng)車(chē)組的運(yùn)用能耗是高鐵綠色、環(huán)保、節(jié)能設(shè)計(jì)中的重要原則。目前，高鐵車(chē)輛設(shè)計(jì)中常用的節(jié)能方法主要有兩個(gè)，一個(gè)是減輕動(dòng)車(chē)組本身特別是簧下質(zhì)量[1]，一個(gè)是降低動(dòng)車(chē)組運(yùn)行阻力，其中主要是風(fēng)阻。而降低風(fēng)阻則主要是對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)體流線進(jìn)行優(yōu)化，其效果相當(dāng)明顯，對(duì)其牽引功率和能耗具有相當(dāng)大的影響。然而，風(fēng)阻對(duì)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的補(bǔ)充能力特別是對(duì)制動(dòng)盤(pán)的影響卻很少有人提及。隨著我國(guó)高速鐵路的不斷發(fā)展，時(shí)速400 km等級(jí)動(dòng)車(chē)組也將下線，而速度的提升帶來(lái)的風(fēng)阻影響也不再忽略不計(jì)，因此，需要研究制動(dòng)仿真過(guò)程中制動(dòng)部件特別是制動(dòng)盤(pán)在有無(wú)風(fēng)阻條件下的熱影響情況，從而優(yōu)化制動(dòng)盤(pán)仿真分析條件，避免因人為提升設(shè)計(jì)條件要求而導(dǎo)致產(chǎn)品安全余量過(guò)大，從而形成設(shè)計(jì)浪費(fèi)。

1 風(fēng)阻系數(shù)

動(dòng)車(chē)組的風(fēng)阻計(jì)算公式一般來(lái)源于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，不同動(dòng)車(chē)組車(chē)體對(duì)風(fēng)阻影響較大，如新研發(fā)的“復(fù)興號(hào)”標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組風(fēng)阻相比于和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組低了11%，從而使其功耗降低了約17%。風(fēng)阻系數(shù)影響參數(shù)主要包括車(chē)型系數(shù)(車(chē)體形狀)，運(yùn)行速度，環(huán)境氣流速度等，一般來(lái)說(shuō)，主要根據(jù)不同車(chē)型簡(jiǎn)化風(fēng)阻系數(shù)表達(dá)為運(yùn)行速度的函數(shù)，不同動(dòng)車(chē)組的風(fēng)阻系數(shù)曲線如圖1所示，風(fēng)阻系數(shù)越大，則產(chǎn)生的風(fēng)阻就越大，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的能耗就越大。

圖1 列車(chē)風(fēng)阻系數(shù)

2 熱容量仿真

(1)熱輸入模型

在制動(dòng)盤(pán)熱容量仿真過(guò)程中，一般考慮列車(chē)運(yùn)行動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為制動(dòng)熱能的嚴(yán)苛情況，但風(fēng)阻在列車(chē)運(yùn)行中所扮演的角色亦不容忽視，其動(dòng)能一部分還會(huì)轉(zhuǎn)化成風(fēng)阻做功，起到協(xié)助列車(chē)停車(chē)的目的，因此，可以假設(shè)列車(chē)動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)為制動(dòng)熱能和一部分風(fēng)阻做功，因而其熱量折算公式則可修正為如下公式表示：

式中：v0列車(chē)初速度，m/s；vt為制動(dòng)過(guò)程中某一時(shí)刻速度，m/s；t為總制動(dòng)時(shí)間，s；WF(t)為列車(chē)制動(dòng)過(guò)程中風(fēng)阻做功；M為列車(chē)質(zhì)量，t。

根據(jù)熱流密度的定義，同時(shí)考慮存在輪軌摩擦、閘片吸收熱能等因素，可得帶風(fēng)阻系數(shù)的熱流密度q(t)公式如下：

式中：S為單個(gè)摩擦面的摩擦面積，m2；η為能量轉(zhuǎn)化系數(shù)；α為列車(chē)減速度，m/s2；aF為風(fēng)阻產(chǎn)生的減速度，m/s2；n為參與制動(dòng)的摩擦面數(shù)。

(2)換熱系數(shù)

為保證仿真結(jié)果的有效性，采用考慮車(chē)輪旋轉(zhuǎn)和列車(chē)平動(dòng)的對(duì)流系數(shù)換算關(guān)系，具體如下[2]：

Hf=A×[(wr+V)r/v]0.925×λf/r

式中：Hf為換熱系數(shù)，w/(m2)；λf為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；r為制動(dòng)半徑，m；w為制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；V為空氣的平動(dòng)速度，m/s；v為空氣黏度，m2/s；A為怒賽特?cái)?shù)的比例系數(shù)。

(3)仿真工況

為驗(yàn)證風(fēng)阻對(duì)動(dòng)車(chē)組在不同速度等級(jí)，不同運(yùn)用工況條件下制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(pán)熱容量的影響關(guān)系，對(duì)表1所示工況進(jìn)行熱容量對(duì)比仿真。考慮到制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)和受力對(duì)稱，為提高計(jì)算效率，采用1/12模型，同時(shí)施加對(duì)稱邊界條件，并在扇形區(qū)采用耦合結(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)與整個(gè)盤(pán)體模型等效。

表1 制動(dòng)仿真工況

(4)仿真結(jié)果

根據(jù)表1所示工況，選取同一型號(hào)制動(dòng)盤(pán)為對(duì)象分別進(jìn)行是否考慮風(fēng)阻2種條件下，制動(dòng)盤(pán)熱容量仿真分析,分析數(shù)據(jù)如表2所示。圖2(a)、(b)、(c)所示為各制動(dòng)工況條件下制動(dòng)盤(pán)溫升曲線。從仿真曲線可以看出，在初始速度為250 km/h制動(dòng)時(shí)，是否考慮風(fēng)阻對(duì)制動(dòng)盤(pán)溫升影響很小，僅7 ℃，在初始速度為350 km/h制動(dòng)時(shí)，兩者仿真結(jié)果相差了46 ℃，不考慮風(fēng)阻時(shí)溫升已經(jīng)接近允許極限，特別是坡道制動(dòng)工況，不考慮風(fēng)阻時(shí)溫升高了近15%，影響較大。

表2 仿真分析結(jié)果

圖2 制動(dòng)盤(pán)溫升曲線

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)按是否考慮風(fēng)阻條件進(jìn)行制動(dòng)盤(pán)初始速度為350 km/h的緊急制動(dòng)模擬試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)后分別檢測(cè)制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面最高溫度為679 ℃和628 ℃，兩種工況相差51 ℃，由于不考慮風(fēng)阻影響，溫升相比升高了近8%，制動(dòng)距離長(zhǎng)了近300 m。結(jié)果表明，在高速制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)阻對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱容量的影響較大，還間接影響著摩擦磨損性能，不能忽略其對(duì)車(chē)輛制動(dòng)的影響。

圖3 制動(dòng)盤(pán)試驗(yàn)照片

4 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展動(dòng)車(chē)組風(fēng)阻對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱容量影響仿真和試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)：

(1)動(dòng)車(chē)組風(fēng)阻系數(shù)對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱容量影響隨著其運(yùn)用速度的提高而增大，在250 km/h及以下等級(jí)緊急制動(dòng)工況可以忽略，而350 km/h及以上等級(jí)緊急制動(dòng)工況則不可以忽略；其對(duì)坡道持續(xù)制動(dòng)等工況影響極大，不可以忽略；

(2)在高速制動(dòng)和坡道制動(dòng)過(guò)程制動(dòng)盤(pán)熱容量很有可能因不考慮風(fēng)阻系數(shù)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗和成本的增加；

(3)風(fēng)阻系數(shù)不僅影響溫升、熱應(yīng)力等制動(dòng)盤(pán)熱容量指標(biāo)，同時(shí)影響制動(dòng)摩擦副摩擦磨損性能的設(shè)計(jì)，在高速制動(dòng)過(guò)程需要特別關(guān)注。